Design, characterization, and testing of modular readout electronics for Kinetic Inductance Detectors for the COSMO Experiment

• Main Author: CONENNA, GIULIA
• Other Authors: Conenna, G, GERVASI, MASSIMO, ZANNONI, MARIO
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: country:Italy 2025
• Subjects: readout electronic; KID; CMB; spectral distortion; cryogenic; Settore PHYS-05/A - Astrofisica; cosmologia e scienza dello spazio; Nero; antartic*
• Online Access: https://hdl.handle.net/10281/544041

Questa tesi si concentra sul design, i test e la caratterizzazione dell’elettronica di lettura per un esperimento basato su rivelatori a induttanza cinetica (KIDs), chiamato COSMO (COSmological Monopole Observer), utilizzando componenti commerciali. COSMO è un esperimento per la ricerca di distorsioni spettrali di tipo y della radiazione cosmica di fondo (CMB), lavorando a frequenze tra 120 e 300 GHz. Sarà posizionato presso la Stazione Concordia sull'altopiano antartico. L'esperimento si basa su un interferometro criogenico di tipo Martin-Puplett, con i KIDs come rivelatori superconduttivi. Il piano focale di COSMO sarà dotato di 18 KIDs multimodo in alluminio, con una frequenza in banda base attesa tra 80 e 120 MHz. L'interferometro produrrà interferogrammi proporzionali alla differenza tra l'intensità del monopolo e di un corpo nero di riferimento. Per compensare le fluttuazioni atmosferiche, il segnale del cielo viene modulato ad una frequenza elevata. Questa modulazione impone un requisito fondamentale all'elettronica di lettura: deve essere in grado di operare a velocità molto elevate per seguire la modulazione del segnale e svolgere diagnostiche dei rivelatori. L'architettura descritta in questa tesi si basa su un transceiver IQ che genera un pettine (comb) di toni di test, ognuno sintonizzato su una frequenza specifica di ciascun rivelatore. Questo prototipo di elettronica di lettura può raggiungere e mantenere un rate di lettura superiore a 60 kHz per i 18 rivelatori. Dopo una panoramica sulla cosmologia moderna e sullo stato dell'arte degli esperimenti, con un focus sulle distorsioni spettrali, verrà introdotto l'esperimento COSMO, evidenziando la strategia di scansione, la selezione dei rivelatori e l'elettronica di lettura sviluppata e testata in questa tesi. Segue un'introduzione ai KIDs e alle loro proprietà. I capitoli successivi descrivono in dettaglio il firmware e il software dell’elettronica di lettura COSMO, insieme alla strategia per rilevare le variazioni di ampiezza e fase dei ...